今週は極低温の作り方について解説します。ちょっと調べて驚いたのは、希釈冷凍機が国産で市販されていることでした。以前は海外製か自作しかなかったのですが、それだけ数が出るようになっているということでしょう。
https://www.tn-sanso.co.jp/gasequip/products/detail.html?pdid=129
希釈冷凍機（dilution refrigerator 業界では、「ダイリューション」）はヘリウムの同位体3Heと4Heの混合によるエントロピー変化を利用して熱を輸送する装置で、どちらも液体になっている必要があるので、液体ヘリウム温度以下で用います。100mK（ミリケルビン）の温度を実現する選択肢としてはこれが第一候補になり、超伝導を用いた量子コンピュータに必要不可欠です。実によくできた仕組みです。4Heを減圧して1Kにした領域（1Kポット）を作りそこで3Heを液化してから4Heに混合してエントロピーを増大させ、断熱膨張と類似の原理で熱を奪います。冷却後は減圧すると3Heが分離されて気体となり、それを1Kポットに送り込んでサイクルが完成します。
アイデアは超伝導の研究で有名なHeinz London(ボン大学→ナチスに追われてオックスフォード大学）です。最初に製作したのはオランダのLeiden 大学 のKamerlingh Onnes 研究所（現在はLeiden Institute of Physics)です。Kamerlingh Onnesは苗字で、ヘリウムの液化や超伝導の発見で1913年のノーベル賞受賞者はHeike Kamerlingh Onnesです。現在は建物の名前、レストランの名前として残っています。
https://www.universiteitleiden.nl/en/locations/kamerlingh-onnes-building
最近は電気式の冷凍機を用いて液体ヘリウムの供給が不要なタイプも実用化されていますが、しくみは「熱スイッチ」などが必要で設計は難しいそうです。これは明日説明できるといいと思います。
英語はhttps://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator
”A 3He/4He dilution refrigerator is a cryogenic device that provides continuous cooling to temperatures as low as 2 mK, with no moving parts in the low-temperature region.[1][2] The cooling power is provided by the heat of mixing of the helium-3 and helium-4 isotopes. ”
dilute ダイ「りゅ」ート 薄い、薄める
cryogenic クライオ「ジェ」ニック 低温の
”There is no fundamental limiting low temperature of dilution refrigerators. Yet the temperature range is limited to about 2 mK for practical reasons. At very low temperatures, both the viscosity and the thermal conductivity of the circulating fluid become larger if the temperature is lowered.”
viscosity ヴィス「コ」シティ 粘性
”To reduce the viscous heating, the diameters of the inlet and outlet tubes of the mixing chamber must go as T−3 m, and to get low heat flow the lengths of the tubes should go as T−8 m. That means that, to reduce the temperature by a factor 2, one needs to increase the diameter by a factor of 8 and the length by a factor of 256. Hence the volume should be increased by a factor of 2^14 = 16,384. In other words: every cm3 at 2 mK would become 16,384 cm3 at 1 mK. The machines would become very big and very expensive. There is a powerful alternative for cooling below 2 mK: nuclear demagnetization. ”
nuclear demagnetization 断熱消磁
inlet 「イ」ンれット 入口
outlet 「ア」ウトれット 出口
increase the length by a factor of 256 長さは256倍になり この言い方はよく出てきます。”by” が要注意です（穴埋め問題にもなる）